¿Cuál es la fuente de energía más importante que conoces? La respuesta es simple: el Sol. Es el centro de todo nuestro universo y lo que permite toda la vida en la Tierra. Además, es una fuente de energía que no requiere combustible e increíblemente potente. La forma más conocida de aprovecharlo es por medio de la energía solar; sin embargo, en este artículo abordaremos algo más poderoso: la fusión nuclear.
Teóricamente, la fusión nuclear sería una fuente de energía prácticamente inagotable, que genere millones de veces más energía por unidad de masa que el carbón. En adición, no generaría residuos peligrosos como la energía nuclear, ni estaría sujeta a las variabilidades ambientales, como gran parte de las energías renovables. ¿Por qué si es tan maravillosa no has escuchado hablar de ella? Porque todavía no es una realidad; aunque cada vez estamos más cerca. Si quieres saber más, no dejes de leer este artículo.
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¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear es un proceso en el que los núcleos de dos átomos ligeros se unen para formar uno más pesado. Estos átomos suelen ser del hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio) para formar otros núcleos, como el helio. En este proceso, se emiten otras partículas y se liberan enormes cantidades de energía. Para comprender bien el funcionamiento y sus complejidades, es conveniente explicar con mayor detalle este proceso.
La fusión nuclear del Sol
Las estrellas se componen por nubes de polvo y gas, y acumulan masa por medio de la contracción gravitacional. Su composición es 70 % hidrógeno (usualmente su isótopo protio, con un único protón y electrón), entre 24 % y 26 % helio y un 4 % al 6 % de elementos químicos pesados. A medida que la contracción gravitacional va reuniendo los elementos, la estrella se va calentando hasta que su temperatura y presión son tan altas que empieza a generarse la fusión nuclear. Es decir, la fusión de los núcleos de hidrógeno para formar helio.
En su interior, cada segundo, millones de toneladas de átomos de hidrógeno chocan entre sí debido a temperaturas y presiones increíblemente altas. Esto los obliga a romper sus enlaces atómicos y fusionarse nuevamente. Esta nueva fusión es la que permite emitir enormes cantidades de calor y luz.
¿Y por qué estamos hablando de fusión nuclear? Pues bien, los científicos están buscando replicar el proceso de fusión nuclear del Sol y las estrellas. Se busca imitar su comportamiento de manera controlada en la Tierra para generar energía limpia. Conseguir que la fusión nuclear sea una fuente viable de energía parecía algo de ciencia ficción; no obstante, es un proceso que se ha discutido durante varios años. Y el mayor obstáculo hasta ahora ha sido replicar la presión gravitacional, pues el núcleo del Sol está a 15 millones de grados Kelvin y su densidad es de 150 gm/cm3.
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Cómo funciona la fusión nuclear
Generar las condiciones que ocasionen el proceso anteriormente descrito es solo uno de los retos que enfrentan los científicos. Para poder generar una reacción de fusión nuclear se deben cumplir de los siguientes requisitos:
Mantener el plasma a una temperatura elevada durante cierto tiempo.
Conseguir una temperatura tan elevada que ocasione que los electrones se separen del núcleo y se aproximen a otro. Para ello, deberán vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas.
Generar una densidad en el plasma suficiente para que los núcleos estén cerca entre sí, dado que tienden a repelerse.
Dado que, por el momento, es imposible generar una presión gravitacional tan elevada como la de las estrellas, es necesario modificar los demás elementos para generar las condiciones necesarias. Por lo tanto, se requeriría someter a los elementos a temperaturas de hasta doscientos millones de grados Celsius. Es decir, diez veces más que la del Sol. De igual forma, no se utilizaría un isótopo de protio como las estrellas, sino deuterio y tritio, dado que son más fáciles de fusionar y el deuterio es estable y muy abundante en la naturaleza.
La idea básica para generar la fusión nuclear es tomar una especie de gas de hidrógeno y calentarlo a más de 100 millones de grados. Así, se generará una nube delgada y frágil que se llama plasma. El plasma desaloja a los electrones de sus átomos y permite acercar los núcleos entre sí. Posteriormente, se controlará este plasma mediante potentes imanes hasta que los átomos se fusionen y liberen energía. Cabe destacar que este proceso liberaría energía de pocos desechos. Tampoco tiene riesgos de explosiones.
El sistema tokamak
Dentro de los sistemas desarrollados para lograr la fusión nuclear, el más popular es el tokamak. Es una cámara de vacío en forma de rosquilla. Este diseño tiene el objetivo de evitar que las partículas de plasma choquen contra los extremos del reactor.
Dentro del reactor se mantiene el plasma confinado por una corriente electromagnética interna. Allí, el gas se calienta a los 150 millones de grados Celsius y entra en funcionamiento el campo electromagnético, que busca evitar que el plasma toque las paredes del reactor y evitar la pérdida de temperatura.
El sistema fue ideado en los años 1950 por los físicos soviéticos Ígor Tam y Andréi Sájarov. Un aspecto clave es que para que el reactor sea seguro necesita presión baja con el fin de que la densidad del plasma también lo sea. En caso de accidente, los isótopos no generarían ningún tipo de reacción en cadena, como ocurre con la fisión nuclear. Solo se necesitaría dejar de suministrarle combustible al reactor de fusión para que cese la reacción. Gracias a esto, este tipo de reacción es limpio, seguro y ecológico.
Esta es la opción elegida para el ITER, el gran reactor de fusión que se está construyendo en Cadarache (Francia). Es resultado de un acuerdo firmado en 1985 por los entonces líderes de EE. UU., Ronald Reagan, y la URSS, Mijaíl Gorbachov. El proyecto está financiado por siete socios: la Unión Europea (más Suiza), EEUU, Rusia, China, India, Japón y Corea del Sur. Su construcción está en marcha desde 2007.
Diferencias entre fusión y fisión nuclear
Seguramente has escuchado sobre la energía nuclear. Este proceso de obtención de energía se produce mediante la fisión, otra reacción nuclear para liberar la energía contenida en un átomo. No obstante, la fisión es, prácticamente, el método contrario a la fusión nuclear.
La fisión nuclear es un método que ha sido más explorado que la fusión. Consiste en dividir un núcleo pesado para producir otros más ligeros. En ambos casos, se libera en forma de calor. En el caso de la energía nuclear (como también nos referiremos al proceso de fisión), el calor es transferido al agua contenida en un depósito. Así, se genera vapor de agua a alta temperatura que será aprovechado para accionar turbinas. El movimiento de las turbinas, la energía cinética convertida en mecánica, será aprovechado para generar electricidad.
De esta forma, la central nuclear transforma la energía nuclear en energía térmica. Divide el núcleo de un átomo en dos o más más ligeros para liberar una parte de la energía que contiene. Para ello se necesita un átomo fácil de romper, que es el de uranio 235. Este tiene 92 protones y entre 142 y 146 neutrones. Las características de este material son aprovechadas para producir uranio 236, que es un elemento inestable y se puede dividir rápidamente. A medida que se divide, se va liberando energía.
La energía que se obtiene al fusionar o fisionar núcleos atómicos procede de la fuerza que los mantiene unidos: la nuclear fuerte. Por ello, la energía que libera es tan grande.
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¿Cómo se diferencian?
En resumen, mientras la fusión nuclear une núcleos de átomos, la fisión los divide. De igual forma, la segunda puede generar una reacción en cadena con riesgo de explosión, mientras que la fusión nuclear no. Esto la convierte en más estable y limpia.
Por otro lado, la fisión es un proceso que ya se ha implementado en el mundo. Y, aunque la fusión funciona, es un proceso complejo que no se ha descifrado cómo conseguir que sea estable de manera prolongada. Es decir, la fusión no puede mantenerse durante un periodo prolongado largo de forma controlada y con un balance de energía positivo.
De igual forma, la fusión nuclear es un proceso que se genera de forma natural, bajo condiciones extremas. La fisión no es un proceso natural; no obstante, la cantidad de energía requerida es menor que la energía necesaria en una reacción de fusión.
Además, la fisión nuclear libera una enorme cantidad de energía durante la reacción. Sin embargo, es tres o cuatro veces menor a la energía liberada durante la fusión nuclear.
Finalmente, la energía nuclear, al desintegrar el uranio, produce elementos radioactivos que deben almacenarse durante siglos para que se reduzca su peligro. En el caso de la fusión, el residuo que se genera es el helio, un gas inocuo.
Breve historia de la fusión nuclear
Los primeros planteamientos de la fusión natural surgieron en 1929 por Atkinson y Houtemans, quienes la proyectaron como una opción para generar energía. No obstante, fueron los trabajos de H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer y E. Teller, a partir de 1942, los que sentaron las bases de la fusión natural y sus aplicaciones reales.
Cabe recordar que fue Hans Bethe quien explicó el origen real del poder del Sol; desde entonces, los científicos albergan el sueño de poder recrearlo en la Tierra. En agosto de 1955, el presidente de un congreso sobre fusión nuclear en Ginebra afirmó que en dos décadas se solucionaría el problema energético de la Humanidad.
Sus avances, empero, no han sido tan exitosos ni veloces. En 1961, Nuckolls (EE.UU.) y N. Basov (URSS) desarrollaron una técnica por la cual se podría obtener reacciones de fusión nuclear mediante altas compresiones. Este fue el inicio de los programas secretos en EE. UU. y Rusia; y, posteriormente, se unieron otros países, en secreto o abierto, como Francia, Alemania, Japón e Italia.
A mediados de la década de 1950, Andrei Sakharon presentó el primer diseño de tokamak. Sin embargo, fue en 1965 cuando Artismovich presentó los resultados de sus investigaciones con el concepto tokamak (Toroidal KAmera MAgnetiK). Allí, el campo magnético necesario para confinar el plasma es el resultado de la combinación de un campo toroidal, de un campo poloidal, ambos creados por bobinas toroidales, y de un campo vertical.
Años recientes
Los avances en el campo avanzaron a pasos pequeños los siguientes años, en parte debido a falta de financiación dado que se redirigió a la carrera espacial. No obstante, en la década de los 70 se comenzaron a publicar investigaciones sobre fusión nuclear por confinamiento inercial y avanzaron los experimentos en diferentes partes del mundo. El primer enfoque fueron las instalaciones con láser; posteriormente, se exploraron los proyectos con iones ligeros.
En los años 90, los avances de Estados Unidos y Japón con las instalaciones tipo tokomak permitieron obtener cierta potencia. Sin embargo, el proyecto más importante y avanzado en fusión nuclear por confinamiento magnético es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototipo basado en el concepto tokamak. El proyecto fue ideado en 1986 y cuenta con el apoyo de la Unión Europea, Canadá, Rusia, Japón y Estados Unidos.
En este proyecto, el objetivo no es producir energía eléctrica. En cambio, se probarán las soluciones a los problemas que necesitan ser resueltos para hacer viables los futuros reactores de fusión nuclear. Se espera que este proyecto de investigación dé sus primeros resultados a partir de 2050.
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El futuro de la fusión nuclear
Como ya mencionamos, el proyecto ITER es el más importante a nivel internacional frente a la fusión nuclear. El proyecto se ha visto afectado por largas demoras, dada la extrema dificultad de su objetivo. Por ello, las últimas estimaciones indican que se tenga una planta de prueba para 2050. Sin embargo, esta no tendrá ningún objetivo comercial, sino solo científico.
Algunos de los aspectos de la fusión nuclear que el proyecto debe resolver son: cómo mantener el plasma estable y ardiendo durante largos periodos; de qué manera impedir que los neutrones de alta energía degraden la estructura del reactor; cómo producir más energía que la que se necesita para ponerla en marcha; y cómo evitar que los neutrones se degraden hasta generar residuos tóxicos; entre muchas otras.
Los científicos estiman que, de lograrse su desarrollo, equivaldría a la primera llegada al hombre a la Luna: sería un hito para la Humanidad. No obstante, hay muchos otros que mantienen sus reservas, dado que es difícil lograr que sean comerciablemente viables. Los tokamak consumen más energía de la que producen y requieren un suministro de energía constante para mantener la reacción.
Sin embargo, las investigaciones continúan en este segmento. Los países también trabajan de manera individual en el desarrollo de reactores de fusión nuclear comerciales. Entre ellos, encontramos el Sol artificial que inauguró China en 2020 llamado HL-2M, el más grande y avanzado creado por gigante asiático. Según informaron, puede procesar más del doble de la cantidad de plasma que otros dispositivos que tienen en ese país.
De igual forma, existen varias iniciativas privadas que buscan desarrollar esta tecnología. Por ejemplo, encontramos a First Light, Commonwealth Fusion Systems, Tecnologías TAE e, incluso, a la Marina de Estados Unidos.
Lastimosamente, la velocidad de su desarrollo nos indica que no se podrán ver resultados pronto. Por lo tanto, no se puede tomar en cuenta como alternativa para el sostenimiento de nuestro modelo energético, que reclama urgentemente nuevas medidas más amigables con el medioambiente.
Palabras finales
La fusión nuclear nos remite a las bases mismas de nuestra existencia. Aunque los científicos han logrado descifrar cómo —teóricamente— se puede lograr, los retos que ella trae no son pocos. ¿Algún día podremos ver un sistema eficiente y poderoso en acción? Es difícil saberlo. Las opiniones científicas están divididas, pero lo que sí está claro es que, cuando tenga lugar, transformará completamente nuestra forma de abastecernos y obtener electricidad en el planeta.
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